JP2001328864A - 低温焼成圧電磁器組成物及び圧電トランス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】９５０℃以下の温度での焼成が可能であり、大
きな機械的品質係数を有し、高電界駆動による機械的品
質係数の低下が小さな圧電磁器組成物と、小型かつ変換
効率が高い圧電トランスを提供する。 【解決手段】組成式：(Pb_uA_1-u)_v[(Zn_1/3Nb_2/3)_xTi_yZ
r_z]_2-vO₃（但し、AはLa,Nd,PrおよびBiからなる群より
選ばれる少なくとも一種の元素であり、0.92≦u≦0.99、
0.97≦v≦1.03、0.06≦x≦0.18、0.38≦y≦0.50、0.32
≦z≦0.50、x+y+z=1を満足する。）で表される組成物
に、MnをMnO₂に換算して前記組成物に対して0.5〜2モル
%と、AlをAl₂O₃に換算して前記組成物に対して0.2〜1.2
モル%と、CuをCuOに換算して前記組成物に対して0.3〜2
モル%とを添加する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、超音波振
動子、アクチュエータ、圧電トランスなどに適する圧電
磁器組成物と、前記圧電磁器組成物を用いた圧電トラン
スに関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波振動子、アクチュエータおよび圧
電トランスなど、圧電材料を利用したデバイスが種々開
発されている。例えば、圧電トランスは、駆動部におい
て入力した電気エネルギーを機械的振動エネルギーに変
換し、発電部において再び電気エネルギーに変換するこ
とによって、入力電圧の昇圧または降圧を行うデバイス
であり、昨今のＯＡ機器の小型化に伴って、液晶ディス
プレイのバックライトとして用いられる冷陰極管用イン
バータなどに応用され始めている。

【０００３】このような圧電デバイスに応用される圧電
材料は、大きな電気機械結合係数および機械的品質係数
を具備することが要求される。圧電材料の一例として
は、Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃-Pb(Sn_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃-PbZrO
₃系組成物にMnO₂を添加した組成物があり、優れた圧電
性を示すことが提案されている（特公昭５６−３０７１
４号公報）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】近年、圧電デバイスに
おいては、高出力化の要求に伴い、高電界駆動が要求さ
れている。しかしながら、従来の圧電磁器組成物は、低
電界駆動においては比較的優れた圧電性を示すものの、
高電界駆動においては機械的品質係数が著しく低下す
る。従って、高電界駆動した場合に、内部エネルギー損
失によって急激に発熱するおそれがあるという問題があ
った。

【０００５】また、従来の圧電磁器組成物は焼成温度が
高く、積層構造の圧電デバイスを作製する場合に銀パラ
ジウムペーストなどの電極材料と同時に焼成することが
困難であった。

【０００６】また、圧電磁器組成物を用いた圧電トラン
スは、電子機器の小型化に伴い、小型且つ薄型であるこ
とが要求されている。さらに、駆動周波数が高周波数で
あると、圧電トランスを含む回路周辺の浮遊容量などの
影響によって、インバータ回路全体としての変換効率が
低下するおそれがあるため、低い周波数の交流電気信号
で駆動できることが要求されている。しかしながら、従
来の圧電磁器組成物を用いた圧電トランスにおいては、
圧電体の小型および薄型化や、駆動周波数の低周波数化
によって、圧電トランス自体の変換効率が著しく低下す
るという問題があった。

【０００７】本発明は、比較的低温での焼成が可能であ
り、大きな機械的品質係数を有し、且つ、高電界駆動に
おける機械的品質係数の低下が小さい圧電磁器組成物で
あり、圧電トランスに適用した場合に十分に高い変換効
率を確保することが可能な圧電磁器組成物、および、前
記圧電磁器組成物を用いた圧電トランスを提供すること
を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の第１の圧電磁器組成物は、下記の組成式
（I）で表される組成物と、ＭｎをＭｎＯ₂に換算して前
記組成物に対して0.5〜2モル%と、ＡｌをＡｌ₂Ｏ₃に換
算して前記組成物に対して0.2〜1.2モル%と、ＣｕをＣ
ｕＯに換算して前記組成物に対して0.3〜2モル%とを含
有することを特徴とする。 （Ｐｂ_uＡ_1-u）_v｛（Ｚｎ_1/3Ｎｂ_2/3）_xＴｉ_yＺｒ_z｝_2-vＯ₃ （I） 但し、前記組成式（I）において、ＡはＬａ、Ｎｄ、Ｐ
ｒおよびＢｉからなる群より選ばれる少なくとも一種の
元素であり、uおよびvは、各々、0.92≦u≦0.99、0.97
≦v≦1.03であり、x、yおよびzは、各々、0.06≦x≦0.1
8、0.38≦y≦0.50、0.32≦z≦0.50であり、且つ、x+y+z
=1なる関係を満足する。

【０００９】このような構成にしたことにより、９５０
℃以下の温度での焼成が可能であり、大きな機械的品質
係数を有し、且つ、高電界駆動における機械的品質係数
の低下が小さい圧電磁器組成物とすることができる。ま
た、圧電トランスに適用した場合に十分に高い変換効率
を確保することが可能な圧電磁器組成物とすることがで
きる。

【００１０】また、本発明の第２の圧電磁器組成物は、
下記の組成式（II）で表される組成物と、ＡｌをＡｌ₂
Ｏ₃に換算して前記組成物に対して0.2〜1.2モル%と、Ｃ
ｕをＣｕＯに換算して前記組成物に対して0.3〜2モル%
とを含有することを特徴とする。

【００１１】 t（Ｐｂ_uＡ_1-u）_v[（Ｚｎ_1/3Ｎｂ_2/3）_xＴｉ_yＺｒ_z]_2-vＯ₃−（1-t）ＹＭｎＯ₃ (II) 但し、前記組成式（II）において、ＡはＬａ、Ｎｄ、Ｐ
ｒおよびＢｉからなる群より選ばれる少なくとも一種の
元素であり、t、uおよびvは、各々、0.96≦t≦0.99、0.
92≦u≦0.99、0.97≦v≦1.03であり、x、yおよびzは、
各々、0.06≦x≦0.18、0.38≦y≦0.50、0.32≦z≦0.50
であり、且つ、x+y+z=1なる関係を満足する。

【００１２】このような構成にしたことにより、９５０
℃以下の温度での焼成が可能であり、大きな機械的品質
係数を有し、且つ、高電界駆動における機械的品質係数
の低下が小さい圧電磁器組成物とすることができる。ま
た、圧電トランスに適用した場合に十分に高い変換効率
を確保することが可能な圧電磁器組成物とすることがで
きる。

【００１３】また本発明の圧電トランスは、前記第１の
圧電磁器組成物または前記第２の圧電磁器組成物を含む
ことを特徴とする。このような構成にしたことにより、
小型および薄型化や、駆動周波数の低周波数化をはかる
場合においても、十分に高い変換効率を確保することが
できる。また、本発明の圧電トランスは、銀パラジウム
ペーストと圧電磁器組成物を同時に焼成することによ
り、容易に積層化できるという特徴を有する。

【００１４】前記圧電トランスにおいては、圧電体が、
厚み方向分極部と、長さ方向分極部とを備えていること
が好ましい。ここで、「厚み方向」とは板状圧電体の厚
みの方向であり、「長さ方向」とは前記厚み方向に直行
する方向である。

【００１５】また、前記圧電トランスにおいては、２分
の１波長モードで励振することが好ましい。この好まし
い例によれば、十分に高い変換効率を確保しながら、駆
動周波数を低周波数化することが可能である。

【００１６】また、前記圧電トランスにおいては、圧電
体が、互いに離間した２つの長さ方向分極部を備え、２
つの長さ方向分極部の間に厚み方向分極部を備えている
ことが好ましい。この好ましい例によれば、さらに高い
変換効率を確保しながら、駆動周波数を低周波数化する
ことが可能である。

【００１７】さらに、本発明の圧電トランスにおいて
は、圧電体として、前記第１の圧電磁器組成物または前
記第２の圧電磁器組成物のうち９００℃での焼成が可能
であるものを用い、且つ、パラジウムを含まない銀ペー
ストを電極材として用いることにより、入力電気抵抗が
低く、且つ、比較的安価な圧電トランスを提供すること
ができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の第１の圧電磁器組成物
は、前述したように、組成式（I）で表される組成物に
Ｍｎ、ＡｌおよびＣｕが添加されてなる。 （Ｐｂ_uＡ_1-u）_v｛（Ｚｎ_1/3Ｎｂ_2/3）_xＴｉ_yＺｒ_z｝_2-vＯ₃ （I） 組成式（I）において、ＡはＬａ、Ｎｄ、ＰｒおよびＢ
ｉからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素であ
る。uは、0.92〜0.99の範囲とする。前記範囲外である
と、９５０℃以下の温度で焼結しないか、もしくは、十
分な機械的品質係数が得られないからである。更には、
0.96≦u≦0.99とすることが好ましい。また、vは、0.97
〜1.03の範囲とする。前記範囲外であると、９５０℃以
下の温度で焼結しないか、もしくは、十分な機械的品質
係数が得られないからである。xは、0.06〜0.18の範囲
とする。前記範囲外であると、９５０℃以下の温度で焼
結しないか、もしくは、十分な機械的品質係数が得られ
ないからである。yは、0.38〜0.50の範囲とする。前記
範囲外であると、十分な機械的品質係数が得られないか
らである。zは、0.32〜0.50の範囲とする。前記範囲外
であると、十分な機械的品質係数が得られないからであ
る。更に、x、yおよびzは、x+y+z=1なる関係を満足する
ものである。

【００１９】Ｍｎは、ＭｎＯ₂に換算して、組成式（I）
で表される組成物に対して0.5〜2モル%の割合で添加さ
れる。前記範囲外であると、十分な機械的品質係数が得
られないからである。更には、Ｍｎは、ＭｎＯ₂に換算
して、前記組成物に対して0.9〜1.3モル%の割合で添加
されることが好ましい。また、Ｍｎは、Ｍｎ₂Ｏ₃、Ｍｎ
ＣＯ₃として前記組成物に添加されることが好ましい。

【００２０】Ａｌは、Ａｌ₂Ｏ₃に換算して、組成式
（I）で表される組成物に対して0.2〜1.2モル%の割合で
添加される。前記範囲外であると、９５０℃以下の温度
で焼結しないか、もしくは、十分な機械的品質係数が得
られないからである。更には、Ａｌは、Ａｌ₂Ｏ₃に換算
して、前記組成物に対して0.5〜1.0モル%の割合で添加
されることが好ましい。

【００２１】Ｃｕは、ＣｕＯに換算して、組成式（I）
で表される組成物に対して0.3〜2モル%の割合で添加さ
れる。前記範囲外であると、９５０℃以下の温度で焼結
しないか、もしくは、十分な機械的品質係数が得られな
いからである。更には、Ｃｕは、ＣｕＯに換算して、前
記組成物に対して0.5〜1.5モル%の割合で添加されるこ
とが好ましい。

【００２２】本発明の第２の圧電磁器組成物は、前述し
たように、組成式（II）で表される組成物にＡｌおよび
Ｃｕが添加されてなる。

【００２３】 t（Ｐｂ_uＡ_1-u）_v[（Ｚｎ_1/3Ｎｂ_2/3）_xＴｉ_yＺｒ_z]_2-vＯ₃−（1-t）ＹＭｎＯ₃ (II) 但し、前記組成式（II）において、ＡはＬａ、Ｎｄ、Ｐ
ｒおよびＢｉからなる群より選ばれる少なくとも一種の
元素である。tは、0.96〜0.99の範囲とする。前記範囲
外であると、十分な機械的品質係数が得られないからで
ある。更には、0.974≦t≦0.982とすることが好まし
い。uは、0.92〜0.99の範囲とする。前記範囲外である
と、９５０℃以下の温度で焼結しないか、もしくは、十
分な機械的品質係数が得られないからである。更には、
0.96≦u≦0.99とすることが好ましい。また、vは、0.97
〜1.03の範囲とする。前記範囲外であると、９５０℃以
下の温度で焼結しないか、もしくは、十分な機械的品質
係数が得られないからである。xは、0.06〜0.18の範囲
とする。前記範囲外であると、９５０℃以下の温度で焼
結しないか、もしくは、十分な機械的品質係数が得られ
ないからである。yは、0.38〜0.50の範囲とする。前記
範囲外であると、十分な機械的品質係数が得られないか
らである。zは、0.32〜0.50の範囲とする。前記範囲外
であると、十分な機械的品質係数が得られないからであ
る。更に、x、yおよびzは、x+y+z=1なる関係を満足する
ものである。

【００２４】Ａｌは、Ａｌ₂Ｏ₃に換算して、組成式（I
I）で表される組成物に対して0.2〜1.2モル%の割合で添
加される。前記範囲外であると、９５０℃以下の温度で
焼結しないか、もしくは、十分な機械的品質係数が得ら
れないからである。更には、Ａｌは、Ａｌ₂Ｏ₃に換算し
て、前記組成物に対して0.5〜1.0モル%の割合で添加さ
れることが好ましい。

【００２５】Ｃｕは、ＣｕＯに換算して、組成式（II）
で表される組成物に対して0.3〜2モル%の割合で添加さ
れる。前記範囲外であると、９５０℃以下の温度で焼結
しないか、もしくは、十分な機械的品質係数が得られな
いからである。更には、Ｃｕは、ＣｕＯに換算して、前
記組成物に対して0.5〜1.5モル%の割合で添加されるこ
とが好ましい。

【００２６】本発明に係る圧電磁器組成物は、圧電トラ
ンス、超音波振動子、アクチュエータなどのあらゆる圧
電デバイスに適用することができる。

【００２７】また、本発明の圧電磁器組成物は、上記組
成を有することにより、大きな機械的品質係数を実現で
き、且つ、高電界駆動における機械的品質係数の低下を
抑制できる。更に、比較的低温、具体的には９５０℃以
下での焼成が可能であるため、パラジウムの重量％が少
ない銀パラジウムペーストと同時に焼成することが可能
であり、積層構造の圧電デバイスへの応用に好適であ
る。

【００２８】次に、本発明の圧電トランスについて説明
する。

【００２９】図１は、本発明に係る圧電トランスの一例
を示す斜視図である。なお、図１において、矢印は圧電
体の分極方向を表している。

【００３０】この圧電トランスは、圧電体駆動部１ａお
よび圧電体発電部１ｂを内包する圧電体１と、入力電極
２ａおよび２ｂと、出力電極３とを備えている。

【００３１】圧電体１は、本発明の第１または第２の圧
電磁器組成物で構成される。圧電体の形状は、特に限定
されるものではないが、通常は板状とされる。

【００３２】圧電体駆動部１ａは、圧電体１の互いに対
向する二つの主面（以下、「上面」および「下面」とす
る）に、各々、入力電極２ａおよび２ｂが形成され、圧
電体１が入力電極２ａおよび２ｂによって厚み方向に挟
持された部分である。圧電体駆動部１ａは、入力電極２
ａと２ｂとの間において、厚み方向に分極処理を施され
ている。

【００３３】圧電体発電部１ｂは、圧電体１の圧電体駆
動部１ａに隣接した部分であって、圧電体駆動部１ａと
は反対側の端部の上面（または下面）に出力電極３が形
成されている。圧電体発電部１ｂは、入力電極２ａおよ
び２ｂと出力電極３との間において、長さ方向に分極処
理を施されている。

【００３４】次に、図１に示す圧電トランスの動作につ
いて説明する。入力電極２ａと２ｂとの間に交流電気信
号が印加されると、圧電体駆動部１ａにおいて逆圧電効
果による機械振動が励振される。この機械振動によっ
て、圧電体発電部１ｂにおいて圧電効果による電界が生
じ、入力電極２ａおよび２ｂと出力電極３との間に電圧
が発生する。この電圧が電気信号として取り出されるこ
とよって、入力電圧が出力電圧に変換される。入力電圧
と出力電圧との関係は、圧電体１の寸法、印加する交流
電気信号の周波数などに依存する。

【００３５】この圧電トランスにおいては、圧電体１の
長さ方向伸び振動の１波長モード（λモード）を励振す
る場合に、最も効率よく電圧の変換が行われる。従っ
て、図１に示す圧電トランスは、長さ方向伸び振動の１
波長モードを励振する周波数の交流電気信号で駆動する
ことが好ましい。

【００３６】また、図１に示す圧電トランスを、長さ方
向伸び振動の１／２波長モード（λ／２モード）を励振
する周波数の交流電気信号で駆動することもできる。こ
の場合、前述した１波長モードを励振する場合に比べ
て、駆動周波数を１／２に低下させることが可能であ
る。

【００３７】図２は、本発明に係る圧電トランスの別の
一例を示す斜視図である。なお、図２において、矢印は
圧電体の分極方向を表している。

【００３８】この圧電トランスは、圧電体駆動部４ａ並
びに圧電体発電部４ｂおよび４ｃを内包する圧電体４
と、入力電極５ａおよび５ｂと、出力電極６ａ、６ｂ、
６ｃおよび６ｄとを備えている。

【００３９】圧電体４は、本発明の第１または第２の圧
電磁器組成物で構成される。圧電体の形状は、特に限定
されるものではないが、通常は板状とされる。

【００４０】圧電体駆動部４ａは、圧電体４の上面およ
び下面に、各々、入力電極５ａおよび５ｂが形成され、
圧電体４が入力電極５ａおよび５ｂによって厚み方向に
挟持された部分である。圧電体駆動部４ａは、入力電極
５ａと５ｂとの間において、厚み方向に分極処理を施さ
れている。

【００４１】圧電体発電部４ｂおよび４ｃは、各々、圧
電体４の圧電体駆動部４ａに隣接した部分であって、圧
電体駆動部４ａとは反対側の端部の上面および下面に、
出力電極６ａおよび６ｂ、６ｃおよび６ｄが各々形成さ
れている。圧電体発電部４ｂは、入力電極５ａおよび５
ｂと出力電極６ａおよび６ｂとの間において、長さ方向
に分極処理を施されている。同様に、圧電体発電部４ｃ
は、入力電極５ａおよび５ｂと出力電極６ｃおよび６ｄ
との間において、長さ方向に分極処理を施されている。

【００４２】圧電体駆動部４ａは圧電体４の中央部付近
に配置され、圧電体発電部４ｂは圧電体４の一方の端部
付近に配置され、圧電体発電部４ｃは圧電体４の他方の
端部付近に配置される。すなわち、圧電体発電部４ｂお
よび４ｃは、圧電体駆動部４ａの両側に各々配置され
る。

【００４３】次に、図２に示す圧電トランスの動作につ
いて説明する。入力電極５ａと５ｂとの間に交流電気信
号が印加されると、圧電体駆動部４ａにおいて逆圧電効
果による機械振動が励振される。この機械振動によっ
て、圧電体発電部４ｂにおいて圧電効果による電界が生
じ、入力電極５ａおよび５ｂと出力電極６ａおよび６ｂ
との間に電圧が発生する。同様に、圧電体発電部４ｃに
おいても圧電効果による電界が生じ、入力電極５ａおよ
び５ｂと出力電極６ｃおよび６ｄとの間に電圧が発生す
る。これらの電圧が電気信号として取り出されることよ
って、入力電圧が出力電圧に変換される。入力電圧と出
力電圧との関係は、圧電体４の寸法、印加する交流電気
信号の周波数などに依存する。

【００４４】この圧電トランスにおいては、圧電体４の
長さ方向伸び振動の１／２波長モード（λ／２モード）
を励振する場合に、最も効率よく電圧の変換が行われ
る。従って、図２に示す圧電トランスは、長さ方向伸び
振動の１／２波長モードを励振する周波数の交流電気信
号で駆動することが好ましい。

【００４５】本発明の圧電トランスは、本発明の圧電磁
器組成物を用いることにより、小型および薄型化や、駆
動周波数の低周波数化をはかる場合においても、十分に
高い変換効率を確保できる。また、銀パラジウムペース
トと圧電磁器組成物を同時に焼成することにより、容易
に積層化できるという特徴を有する。

【００４６】

【実施例】（実施例１）原料として化学的に高純度のＰ
ｂＯ、Ｌａ₂Ｏ₃、Ｎｄ₂Ｏ₃、Ｐｒ₂Ｏ₃、Ｂｉ₂Ｏ₃、Ｚｎ
Ｏ、Ｎｂ₂Ｏ₅、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂、ＭｎＣＯ₃、Ａｌ₂Ｏ
₃、ＣｕＯおよびＹ₂Ｏ₃を用い、これらを所定の組成に
なるよう秤量し、ジルコニアボールを用いたボールミル
により湿式混合した。混合物をボールミルから取り出し
て乾燥した後、空気中において８５０〜１０００℃で２
時間仮焼した。仮焼粉体を、前述したボールミルにより
湿式粉砕し、粉砕泥しょうをボールミルから取り出して
乾燥した後、ポリビニールアルコール溶液を添加して造
粒した。得られた造粒粉体を、金型とプレスを用いて直
径２０ｍｍ、厚さ約１．３ｍｍの円板に成形した。成形
体を、空気中において７００℃で１時間保持して脱バイ
ンダー処理を行った後、空気中において９００〜９５０
℃で１時間保持して焼成した。焼成体を直径約１７ｍｍ
厚さ約１ｍｍの円板に加工した後、その上下面に銀電極
を焼き付けた。焼き付け後の銀電極（全面電極）の厚さ
は４μｍであった。この素子に１００℃の絶縁油中で１
〜５ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加し、分極処理を施し
た。

【００４７】上記操作により、組成の異なる５２種の試
料（試料番号１〜５２）を作製した。各試料について、
インピーダンスアナライザを用いた共振反共振法による
測定から、円板径方向振動の機械的品質係数（Ｑｍ値）
を算出した。なお、Ｑｍ値は、印加電圧を０．１Ｖrms
および５Ｖrmsとした場合について各々求めた。

【００４８】結果を、各試料の組成および焼成温度と共
に、表１および表２に示す。なお、表１中の係数（u、
v、x、y、z）および元素（A）は前記組成式（Ｉ）に従
い、表２中の係数（t、u、v、x、y、z）および元素
（A）前記組成式（II）に従うものである。また、試料
番号の右側に記された(*)は、本発明の範囲外である比
較例として作製された試料であることを示す。

【００４９】

【表１】

【００５０】

【表２】

【００５１】表１および表２に示すように、本発明の実
施例である試料は、低電界駆動時(駆動電圧0.1Vrms)に
おいて１６００以上の高いＱｍ値を示し、且つ、高電界
駆動時(駆動電圧5Vrms)においても１５００以上という
高いＱｍ値を示すことが確認できた。

【００５２】特に、表２に示すように、前記組成式（I
I）で表される組成物にＡｌ₂Ｏ₃およびＣｕＯを添加し
た実施例は、Ｑｍ値が、低電界駆動時において１８００
以上、且つ、高電界駆動時において１６００以上という
高い値を示した。

【００５３】更に、実施例の試料は、この高いＱｍ値
を、９５０℃以下という低い焼成温度で実現することが
できた。

【００５４】これに対し、比較例の試料は、９５０℃で
は焼成できないか、もしくは、焼成できた試料であって
もＱｍ値が低く、特に高電界駆動時におけるＱｍ値が著
しく低いことが確認できた。

【００５５】（実施例２）実施例１と同様にして得られ
た造粒粉体を、金型とプレスを用いて長さ５０ｍｍ幅１
０ｍｍ厚さ約３ｍｍの矩形板に成形した。成形体を、空
気中において７００℃で１時間保持して脱バインダー処
理した後、空気中において９００〜９５０℃で１時間保
持して焼成し、焼成体を得た。

【００５６】この焼成体を用いて、図１と同様の構造を
有する圧電トランスを作製した。まず、焼成体を、長さ
３９ｍｍ、幅７．５ｍｍ、厚さ１．８ｍｍまたは０．９
ｍｍの矩形板に加工した。圧電体駆動部に相当する部分
においては、焼成体の上下面に銀パラジウムペーストを
焼き付けて入力電極を形成した後、入力電極同士間で厚
み方向に分極処理を施した。また、圧電体発電部に相当
する部分においては、焼成体の上面に銀パラジウムペー
ストを焼き付けて、厚さ４μｍ、幅１ｍｍの出力電極を
形成した後、入力電極と出力電極との間で長さ方向に分
極処理を施した。なお、圧電体駆動部および圧電体発電
部の長さは、各々、１９．５ｍｍとした。

【００５７】上記操作により、２４種の圧電トランス
（試料番号５３〜７６）を作製し、出力電極に１２０ｋ
Ωの負荷抵抗を接続した。各試料について、入力電極間
に交流電気信号を印加し、変換効率を求めた。なお変換
効率（％）は、入力電力をＰ_inとし、出力電力をＰ_out
としたときＰ_out／Ｐ_in×１００で表される値である。

【００５８】変換効率は、長さ方向伸び振動の１波長モ
ード（λモード）を励振する駆動周波数（約８０ｋＨ
ｚ）と、２分の１波長モード（λ／２モード）を励振す
る駆動周波数（約４０ｋＨｚ）の場合について、各々評
価した。なお、入力電力Ｐ_inは３Ｗとした。

【００５９】結果を、各試料の圧電体の組成、焼成温度
および厚さと共に、表３および表４に示す。なお、表３
中の係数（u、v、x、y、z）および元素（A）は前記組成
式（I）に従い、表４中の係数（t、u、v、x、y、z）お
よび元素（A）前記組成式（II）に従うものである。ま
た、試料番号の右側に記された(*)は、本発明の範囲外
である比較例として作製された試料であることを示す。

【００６０】

【表３】

【００６１】

【表４】

【００６２】表３および表４に示すように、本発明の実
施例である試料は、１波長モードを励振する駆動、すな
わち高周波数駆動において、圧電体が０．９ｍｍと薄い
場合であっても８８％以上の高い変換効率を示した。ま
た、１／２波長モードを励振する駆動、すなわち低周波
数駆動においても、８５％以上の高い変換効率を示し
た。

【００６３】特に、表４に示すように、前記組成式（I
I）で表される組成物にＡｌ₂Ｏ₃およびＣｕＯを添加し
た実施例は、変換効率が、高周波数駆動において９０％
以上、且つ、低周波数駆動においても８７％以上という
高い値を示した。

【００６４】更に、実施例の試料は、この高い変換効率
を、９５０℃以下という低い焼成温度で実現することが
できた。このことから、実施例の試料と同様の組成の圧
電磁器組成物を用いることにより、銀パラジウムペース
トと同時に焼成して積層型の圧電トランスを作製するこ
とが可能であることがわかった。実際に、試料番号５６
および６８と同様の組成を有する圧電磁器組成物を用い
て、９層の圧電磁器組成物層と１０層の銀パラジウム電
極層とが交互に積層してなる積層型圧電トランスを作製
し、その特性を評価したところ、高い変換効率と高い昇
圧比を示すことが確認できた。

【００６５】また、試料番号５４および６６と同様の組
成を有する圧電磁器組成物を用いた場合、焼成温度が９
００℃であるため、パラジウムを含まない銀ペーストと
同時に焼成して積層型の圧電トランスを作製することが
可能であった。実際に、試料番号５４および６６と同様
の組成を有する圧電磁器組成物を用いて、９層の圧電磁
器組成物層と１０層の銀電極層とが交互に積層してなる
積層型圧電トランスを作製し、その特性を評価したとこ
ろ、高い変換効率と高い昇圧比を示すことが確認でき
た。更に、電極材としてパラジウムを含む銀ペーストを
用いた場合と比較して、入力電気抵抗が低くなるため、
より低電圧での駆動が可能であった。また、高価なパラ
ジウムを含まないため、製造コストを抑えることができ
る。

【００６６】これに対し、比較例の試料は変換効率が低
く、特に圧電体が０．９ｍｍと薄い場合において著しく
低いことが確認できた。また、低周波数駆動した場合に
も、変換効率が著しく低下していることが確認できた。

【００６７】（実施例３）実施例１と同様にして得られ
た造粒粉体を、金型とプレスを用いて長さ５０ｍｍ幅１
０ｍｍ厚さ約３ｍｍの矩形板に成形した。成形体を、空
気中において７００℃で１時間保持して脱バインダー処
理した後、空気中において９００〜９５０℃で１時間保
持して焼成し、焼成体を得た。

【００６８】この焼成体を用いて、図２と同様の構造を
有する圧電トランスを作製した。まず、焼成体を、長さ
３９ｍｍ、幅７．５ｍｍ、厚さ０．９ｍｍの矩形板に加
工した。圧電体駆動部に相当する部分においては、焼成
体の上下面に銀パラジウムペーストを焼き付けて入力電
極を形成した後、入力電極同士間で厚み方向に分極処理
を施した。また、圧電体発電部に相当する部分において
は、焼成体の上下面に銀パラジウムペーストを焼き付け
て、厚さ４μｍ、幅１ｍｍの出力電極を形成した後、入
力電極と出力電極との間で長さ方向に分極処理を施し
た。なお、圧電体駆動部の長さは１９ｍｍ、圧電体発電
部の長さは各々１０ｍｍとした。

【００６９】上記操作により、１２種の圧電トランス
（試料番号７７〜８８）を作製し、１２０ｋΩの負荷抵
抗に４本のリード線を接続し、各リード線を各出力電極
に接続した。各試料について、入力電極間に交流電気信
号を印加して変換効率を評価した。変換効率（％）は、
入力電力をＰ_inとし、出力電力をＰ_outとしたときＰ_out
／Ｐ_in×１００で表される値である。

【００７０】変換効率は、長さ方向伸び振動の１／２波
長モード（λ／２モード）を励振する駆動周波数（約４
０ｋＨｚ）の場合について評価した。なお入力電力Ｐ_in
は３Ｗとした。

【００７１】結果を、各試料の圧電体の組成および焼成
温度と共に、表５および表６に示す。なお、表５中の係
数（u、v、x、y、z）および元素（A）は前記組成式
（I）に従い、表６中の係数（t、u、v、x、y、z）およ
び元素（A）前記組成式（II）に従うものである。ま
た、試料番号の右側に記された(*)は、本発明の範囲外
である比較例として作製された試料であることを示す。

【００７２】

【表５】

【００７３】

【表６】

【００７４】圧電体の長さ方向伸び振動の共振周波数は
振動モードにより異なり、圧電体長さに依存する。共振
周波数を４０ｋＨｚとする場合、１波長モードを励振す
るならば圧電体長さは約８０ｍｍに設定し、１／２波長
モードを励振するならば圧電体長さは約４０ｍｍに設定
する必要がある。すなわち、小型の圧電トランスを実現
するためには、圧電体を１／２波長モードで励振するこ
とが有効である。しかし、前記したように、１／２波長
モードで励振する場合、駆動周波数が低くなるため圧電
トランスの変換効率が低下する傾向にある。

【００７５】しかしながら、表５および表６に示すよう
に、本発明の実施例である試料は、１／２波長モードを
励振する駆動、すなわち低周波数駆動においても、８７
％以上の高い変換効率を示した。特に、表６に示すよう
に、前記組成式（II）で表される組成物にＡｌ₂Ｏ₃およ
びＣｕＯを添加した実施例は、低周波数駆動における変
換効率が８９％以上という高い値を示した。

【００７６】また、表３と表５との比較から、図１に示
した構造の圧電トランスと比較して、図２に示した構造
の圧電トランスはより高い変換効率を示すことが確認で
きた。このことから、本発明の実施例である試料は、高
い変換効率を確保しながら、低い周波数で駆動するこ
と、すなわち１／２波長モードで励振することが可能で
あることが確認できた。

【００７７】これに対し、比較例の試料は、低周波数駆
動における変換効率が著しく低かった。

【００７８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の圧電磁器
組成物によれば、９５０℃以下の温度での焼成が可能で
あり、大きな機械的品質係数を有し、且つ、高電界駆動
における機械的品質係数の低下が小さい圧電磁器組成物
とすることができる。更に、本発明の圧電磁器組成物を
圧電トランスに適用した場合に、十分に高い変換効率を
確保することが可能である。

【００７９】本発明の圧電トランスによれば、小型およ
び薄型化や、駆動周波数の低周波数化をはかる場合にお
いても、十分に高い変換効率を確保することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る圧電トランスの一例を示す斜視
図である。

【図２】 本発明に係る圧電トランスの別の一例を示す
斜視図である。

【符号の説明】

１，４ 圧電体 １ａ，４ａ 圧電体駆動部 １ｂ，４ｂ，４ｃ 圧電体発電部 ２ａ，２ｂ，５ａ，５ｂ 入力電極 ３，６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ 出力電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西田 正光 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 加藤 純一 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 長谷 裕之 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 4G031 AA07 AA09 AA11 AA12 AA14 AA25 AA29 AA32 AA35 BA10 GA02 5H730 AA14 AA15 ZZ19

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】下記の組成式（Ｉ）で表される組成物と、
   ＭｎをＭｎＯ₂に換算して前記組成物に対して0.5〜2モ
   ル%と、ＡｌをＡｌ₂Ｏ₃に換算して前記組成物に対して
   0.2〜1.2モル%と、ＣｕをＣｕＯに換算して前記組成物
   に対して0.3〜2モル%とを含有することを特徴とする圧
   電磁器組成物。 （Ｐｂ_uＡ_1-u）_v｛（Ｚｎ_1/3Ｎｂ_2/3）_xＴｉ_yＺｒ_z｝_2-vＯ₃ （Ｉ） 但し、前記組成式（Ｉ）において、ＡはＬａ、Ｎｄ、Ｐ
   ｒおよびＢｉからなる群より選ばれる少なくとも一種の
   元素であり、uおよびvは、各々、0.92≦u≦0.99、0.97
   ≦v≦1.03であり、x、yおよびzは、各々、0.06≦x≦0.1
   8、0.38≦y≦0.50、0.32≦z≦0.50であり、且つ、x+y+z
   =1なる関係を満足する。
2. 【請求項２】下記の組成式（II）で表される組成物と、
   ＡｌをＡｌ₂Ｏ₃に換算して前記組成物に対して0.2〜1.2
   モル%と、ＣｕをＣｕＯに換算して前記組成物に対して
   0.3〜2モル%とを含有することを特徴とする圧電磁器組
   成物。 t（Ｐｂ_uＡ_1-u）_v[（Ｚｎ_1/3Ｎｂ_2/3）_xＴｉ_yＺｒ_z]_2-vＯ₃−（1-t）ＹＭｎＯ₃ (II) 但し、前記組成式（II）において、ＡはＬａ、Ｎｄ、Ｐ
   ｒおよびＢｉからなる群より選ばれる少なくとも一種の
   元素であり、t、uおよびvは、各々、0.96≦t≦0.99、0.
   92≦u≦0.99、0.97≦v≦1.03であり、x、yおよびzは、
   各々、0.06≦x≦0.18、0.38≦y≦0.50、0.32≦z≦0.50
   であり、且つ、x+y+z=1なる関係を満足する。
3. 【請求項３】請求項１または２に記載の圧電磁器組成物
   を含むことを特徴とする圧電トランス。
4. 【請求項４】圧電体が、厚み方向分極部と、長さ方向分
   極部とを備えている請求項３に記載の圧電トランス。
5. 【請求項５】２分の１波長モードで励振する請求項４に
   記載の圧電トランス。
6. 【請求項６】圧電体が、互いに離間した２つの長さ方向
   分極部を備え、２つの長さ方向分極部の間に厚み方向分
   極部を備えている請求項５に記載の圧電トランス。
7. 【請求項７】請求項１または２に記載の圧電磁器組成物
   の表面に銀ペーストを焼結させた電極が形成されている
   ことを特徴とする圧電トランス。
8. 【請求項８】圧電体が、長さ方向分極部と、厚み方向分
   極部とを備えている請求項７に記載の圧電トランス。
9. 【請求項９】２分の１波長モードで励振する、請求項８
   に記載の圧電トランス。
10. 【請求項１０】圧電体が、互いに離間した２つの長さ方
    向分極部を備え、２つの長さ方向分極部の間に厚み方向
    分極部を備えている請求項９に記載の圧電トランス。